Ο ναός του Αγίου Δημητρίου βρίσκεται στους πρόποδες του λόφου «Τούρλες», βόρεια του κάστρου της Καλαμάτας. Στη σημερινή του μορφή είναι μονόχωρο ξυλόστεγο κτίσμα με μια τρίπλευρη αψίδα στα ανατολικά και δίρριχτη κεραμοσκεπή στέγη. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η αψίδα του ναού, που είναι κτισμένη κατά το πλινθοπερίκλειστο σύστημα τοιχοποιίας και φέρει ένα δίλοβο παράθυρο, ανήκει σε έναν προγενέστερο ναό που οικοδομήθηκε μάλλον κατά τον 12ο αιώνα. Το υπόλοιπο κτίριο είναι κτισμένο από αργολιθοδομή και αρχικά ήταν σταυρεπίστεγος ναός, ίσως του 13ου ή του 15ου αιώνα, που κάποια στιγμή κατέρρευσε η στέγη του και ανακατασκευάστηκε ως μονόκλιτη ξυλόστεγη βασιλική (μεταβυζαντινή περίοδος). Στο εσωτερικό διατηρούνται τμηματικά τοιχογραφίες δύο φάσεων: μία του 18ου αιώνα (πλάγιοι τοίχοι) και μία του 19ου αιώνα (δεσποτικές εικόνες τέμπλου). Το μνημείο έπαθε μεγάλες καταστροφές κατά τον σεισμό του 1986 και αναστηλώθηκε σύμφωνα με τη μορφή που είχε στην τελευταία φάση του.